Leçons de niveau 16

Introduction aux transferts thermiques/Modes de transfert de chaleur

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Modes de transfert de chaleur
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Chapitre no 2
Leçon : Introduction aux transferts thermiques
Chap. préc. :Concepts généraux
Chap. suiv. :Équation de la chaleur
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On a vu au chapitre précédent la formalisation mathématique générale des transferts de chaleur. On va s'intéresser ici au différentes phénomènes qui conduisent à des transferts de chaleurs, et leur traduction en densité de flux de chaleur .

Les trois modes de transferts principaux[modifier | modifier le wikicode]

On considère les faces d'un système qui sont soumises à différentes conditions :

  • La première face est une interface avec un autre solide extérieur au système. Le système considéré et ce solide extérieur peuvent échanger de la chaleur au travers de cette face, on parle dans ce cas de conduction.
  • La deuxième face est baignée par un fluide en mouvement. On désigne les échanges de chaleur se produisant entre le fluide et la structure par le terme de convection.
  • La troisième face est en vis-à-vis avec un solide à température élevée, mais sans contact entre les deux. Le mode de transfert de chaleur à distance entre les deux solides est appelé rayonnement.

Les paragraphes suivants vont donner un bref aperçu de ces modes de transfert.

La conduction[modifier | modifier le wikicode]

Le transfert de chaleur par conduction se produit au sein d'un système matériel lorsque celui-ci présente un gradient de température. C'est la manifestation au niveau macroscopique des transports locaux d'énergie par les porteurs élémentaires (molécules, électrons, etc.).
La valeur du vecteur densité de flux de chaleur en un point M d'un système matériel associé à la conduction est la suivante :

La variable est nommée conductivité thermique, et est une propriété intrinsèque du milieu matériel.
Cette loi, dite loi de Fourier, est la manifestation au niveau local du Second principe de la thermodynamique : la chaleur est transférée dans le sens contraire des gradients de température. Elle ne fait pas intervenir le temps : elle suppose une réponse instantanée à une perturbation thermique en tout point du milieu. Cette hypothèse sera discutée dans la leçon dédiée à la conduction.

La convection[modifier | modifier le wikicode]

Lorsqu'un fluide est en contact avec un solide, et que les deux corps ont des températures différentes, un échange de chaleur entre les deux se produit. Ce mode de transfert de chaleur est nommé convection. La valeur de la densité sclaire de flux de chaleur entrant en un point M de l'interface associée à la convection est la suivante :

désigne la température caractéristique du fluide au point M et sera discutée dans la leçon dédiée à la convection. désigne la température de la paroi au point M, et h est nommé coefficient de convection.
h dépend des propriétés physiques du fluide (densité, viscosité, etc.), mais également de façon importante des propriétés de l'écoulement, de l'état de surface de la paroi solide, etc. La détermination de h sera également discutée dans la leçon sur la convection. Le transfert par convection n'est approché dans cette loi que sous sa forme scalaire. En effet, le transfert convectif n'a lieu au travers de l'interface que dans la direction normale : il n'y a pas d'échange entre le fluide et le solide dans les directions tangentielles à la paroi. Bien entendu, il existe des transferts de chaleur par conduction au sein du solide dans les directions tangentielles. Les transferts de chaleur au sein du fluide dans la direction tangentielle sont étroitement liés entre conduction et convection.

Le rayonnement[modifier | modifier le wikicode]

Le transfert de chaleur par rayonnement désigne les interactions énergétiques entre un système matériel et le champ électromagnétique environnant. Deux processus élémentaires conduisent à ces échanges d'énergie :

  • l'émission spontanée est la conversion de l'énergie matérielle en énergie radiative.
  • l'absorption est la conversion inverse d'énergie radiative en énergie matérielle.

Il existe d'autres interactions rayonnement-matière (réflexion, diffusion avec conservation de fréquence, etc.), qui ne correspondent pas à des échanges d'énergie.

Par la suite, on désignera par rayonnement indifféremment le champ électromagnétique, ou le mode de transfert de chaleur entre matière et champ électromagnétique.

On distingue trois types de milieux matériels vis-à-vis du rayonnement :

  • un corps opaque est un système matériel qui ne transmet aucune fraction du rayonnement : tout rayonnement atteignant sa surface est soit absorbé, soit réfléchi. Un rayonnement est également émis à la surface d'un corps opaque. La densité scalaire de flux de chaleur entrant associée au rayonnement est la suivante :

désigne la densité de flux associée au rayonnement absorbé.
désigne la densité de flux associée au rayonnement émis.
Ces deux grandeurs seront discutées dans la leçon dédiée au rayonnement.
La plupart des solides courants sont des corps opaques aux longueurs d'onde visible.

  • un milieu transparent n'a aucune interaction avec le champ de rayonnement. Le rayonnement n'est donc pas modifié par ce type de milieu. L'air ambiant est un assez bon exemple de milieu transparent pour les longueurs d'onde visibles.
  • un milieu semi-transparent réfléchit, absorbe, diffuse et transmet un rayonnement incident. Il peut également émettre du rayonnement en tout point. Une flamme est un bon exemple de milieu semi-transparent.

En toute rigueur, tous corps réel est un milieu semi-transparent. On pourra considérer qu'un objet matériel est un corps opaque lorsque la profondeur de pénétration du rayonnement est négligeable devant les dimensions caractéristiques de cet objet. Par conséquent, l'analyse de l'interaction rayonnement/matière pour un corps opaque pourra être faite de façon surfacique, en se limitant à la quantification de la densité scalaire de flux de chaleur à son interface. Elle devra par contre être traitée de façon volumique pour un corps semi-transparent, en étudiant la densité vectorielle de flux de chaleur au sein de son volume. La profondeur de pénétration dépendant de la longueur d'onde prise en compte, un corps pourra être considéré opaque dans certain cas, et transparent dans d'autres. Le verre est un bon exemple de ce type de comportement : il est quasi transparent dans le visible, et presque parfaitement opaque dans le proche et le lointain infrarouge.